用综合地球物理方法来了解地下世界

同济大学 于 鹏

对地下隐伏的防空洞、未爆弹等障碍物、引起各类地质灾害的地下结构、深层油气资源等方面的勘探，都需要利用地球物理方法来解决。地球物理学是以地球为研究对象的一门学科，地球物理工作者们通过观测和分析由地球内部介质引起的地球物理场来研究地下地质特征。基于地下介质物性差异的不同，地球物理学又可分为以地下介质密度差异为物性基础的地球重力学与重力勘探、以磁性差异为物性基础的地磁学与磁法勘探、以电性差异为物性基础的地电学与电法勘探、以弹性参数差异为物性基础的地震学与地震勘探等分支学科。

在进行实际的地球物理工作前，地球物理工作者们会根据研究区地下介质的主要物性差异选择与之相对应的地球物理方法。一般在选用具体方法前需对探测目标及其围岩有一定了解，然后根据探测区域的物性特点选择行之有效的物探方法，比如，对于防空洞的探测一般采用高密度电法、探地雷达和瑞雷面波法等。

然而，由于地球物理反演问题的非唯一性和等效性、地球物理地质解释的多解性等地球物理方法固有的特性，造成单一地球物理方法解决问题时存在局限性，比如防空洞破裂含水时，基于电阻率差异的高密度电法的勘探能力将降低，因为围岩和含水后防空洞的电阻率差异变小，单一利用高密度电法勘探将难以发挥作用；又比如深层油气资源勘探时，由于复杂地表和复杂地质结构等因素影响，作为主要勘探手段的反射地震在深层的资料品质变低，无法通过单一地震方法提供认识深部结构的有效信息。在上述这些情况下，就必须综合其他的地球物理方法来开展工作。当前地下地质情况的复杂多样性以及地球物理勘探的广度、深度和难度的增加，也愈发体现出开展综合地球物理研究的必要性和重要性。

综合地球物理作为地球物理学的一个分支学科，是在地球物理各个分支学科（地球重力学与重力勘探、地磁学与磁法勘探、地电学与电法勘探、地震学与地震勘探等）的基础上发展起来的，综合地球物理具有明显的综合性和实践性，在该学科的发展中逐渐形成了特有的理论和方法。综合地球物理的研究思路是通过不同的岩石物性参数从不同的角度来认识地下结构以解决有关的地质问题。

我国著名的地球物理学家刘光鼎院士在长期的生产科研和教学实践中总结提出了“一（一种指导）、二（两个环节）、三（三项结合）、多（多次反馈）”和“区域控制局部，深层制约浅层”的综合地球物理解释基本原则，有力地推动了我国综合地球物理学科的发展和地质勘探工作的深入开展。

一种指导就是以活动论的岩石层板块大地构造理论为指导。由于地球物理资料解释是以完成地质任务为目的，所以必须要有先进的地质理论为指导，就是活动论的岩石层板块大地构造理论。

两个环节指的是岩石物性与物理—地质模型，它们是综合地球物理的物理—地质基础。岩石物理性质(密度、磁性、电性、速度等）的差异是地球物理的前提和物质基础，是建立物理—地质模型的必要条件和地质解释的重要依据，它们是联系地质与地球物理之间的纽带和桥梁。物理—地质模型是将地质与地球物理融为一体的模型，它既包含地层、岩性、构造、基底等地质内容，又有反映岩石物性参数、地质体几何参数和地球物理场的地球物理内容，它是地质理论指导地球物理的具体体现。根据地质任务和物探工作的设计，在地质理论的指导下，建立相应的物理—地质模型，通过资料的解释，修改和完善模型并获得最终的地质结论。

三项结合是指地质与地球物理的结合、正演与反演的结合、定性解释与定量解释的结合，它们是贯穿于整个地球物理综合解释的核心思想。地质与地球物理的结合是三项结合的重中之重。因为地质是地球物理工作的出发点，地球物理工作内容由地质任务来确定，同时地质又是地球物理工作的落脚点，因为地球物理工作成果体现在解决地质问题及地质效果上。

多次反馈是指关于地球物理的解释不是一次完成的，要通过多次的正演与反演、定性与定量、地质与物探的结合，多次反馈完成。多次反馈遵循了人类对主观世界的认识规律，实践、认识、再实践、再认识，使人的主观认识接近于地下客观实践。这个过程就是去粗取精、去伪存真、由表及里、由浅到深地使人的解释结果逐步逼近于地下客观事实。

“区域控制局部，深层制约浅层”作为对刘光鼎院士“一、二、三、多” 综合地球物理解释基本原则的补充，在实际工作中也十分重要。从地球科学宏观来说，全球的板块运动、区域块体运动均会造成区域地壳构造运动、地壳的隆升与下陷、断裂与岩浆的活动、矿产资源的形成和改造等等这些区域地质现象，包括近地表的地质灾害、天然地震的发生，都会受到板块运动的影响。我们通过深部地球物理方法来研究岩石圈的底界面、莫霍面、居里面等深部构造界面的变化，这些深部地质构造往往跟区域构造运动密切相关，这些深部与区域的地质活动和变化极大地影响和控制了局部构造和浅层的地质活动，因此在综合地球物理解释中必须将区域和局部、深层和浅层的解释结合起来。

十三五期间，科技部启动了国家重点研发计划项目“超深层重磁电震勘探技术研究”，由中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司联合同济大学等多家高校实施，项目批准号为2016YFC0601104，重点即是对目前超深层6～10千米的油气资源勘探问题展开综合地球物理方法研究，研究的关键问题是综合地球物理最重要的定量手段——联合反演，在地球物理资料处理和解释中，将自始至终贯彻上述五条综合解释原则，探索地球物理资料联合反演和综合解释的新途径，通过方法攻关进一步克服地球物理反演的非唯一性和地质解释的多解性，提高对地下目标勘探的精度和准确性，服务于国民经济建设。